[发明专利]基于WPT策略和DF策略的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统

说明书

技术领域

本发明涉及多种疲劳损伤状态的定量评估，更特别地说，是指一种采用WPT策略（即小波包分析法）和DF策略（即双谱分析法）对港口大型机械设备中的在役16锰钢（即16Mn钢）承力件进行疲劳损伤状态定量评估的系统。 

背景技术

港口大型机械设备中的岸边设备：如装船机、卸船机、抓斗机等，常应用16Mn钢作为关键承力件。岸边设备在使用过程中可能受到不同疲劳载荷的作用，而不同疲劳载荷会导致不同的疲劳损伤状态，作为主要承力件的16Mn钢的疲劳损伤状态的判别对整个岸边设备的使用状态将具有重要意义。 

16Mn钢是低合金钢中使用较为广泛、生产量较大的一种结构钢，具有良好的综合机械性能和良好工艺性能。16Mn钢被广泛应用到压力容器、石油储罐，管道以及港口等大型机械设备领域内。然而疲劳失效是以16Mn钢为代表的结构钢的主要失效模式，即在疲劳载荷下，结构钢中会出现裂纹萌生和裂纹扩展最后会导致钢断裂失效。疲劳失效一般可根据最大载荷的不同分为高周疲劳和低周疲劳。对包含16Mn钢在内的结构钢不同疲劳损伤状态的监测与分析，进而实现对大型结构钢的科学的健康监测具有重要意义。 

声发射技术（Acoustic Emission Technique）因具有动态、实时检测等优点，已广泛的应用于结构件的损伤检测。实践表明，不同的疲劳载荷下，其裂纹扩展速率是不同的，这导致裂纹扩展中其裂纹尖端的应力是不同的，这就产生了不同疲劳损伤状态，而在不同疲劳载荷会导致声发射信号在频率，波形上等的变化。因此有必要利用声发射技术作为监测16Mn钢承力件疲劳损伤状态的工具。 

小波包分析是一种较精细的信号分析方法，它适合对正弦信号进行数据压缩和去噪处理，小波包分析可以克服FFT在对非平稳信号在时-频域内分析的限制。小波包WPT的多分辨分析将信号分解为较高的频率分辨率及较低的时间分辨率的低频部分和较高的时间分辨率及较低的频率分辨的高频部分。具有精确细分的特点和较强的时频局部化能力能很好满足信号特征提取的要求。 

双谱分析法是信号处理领域非常有用的重要分析工具。它能有效的分析处理非高斯、非线性、非因果信号和高斯有色噪声及盲信号。它从 更高概率结构表征随机信号，可弥补二阶统计量（功率谱）不含相位信息、不能提取更多有用信息的缺陷，具有高分辨率和强抗噪声能力等优点。 

以声发射波形信号数据为基础的小波包分析和双谱分析方法可获得信号的定量特征，因此可以将WPT策略和DF策略相结合应用于疲劳损伤状态的声发射信号处理中，从而得到疲劳损伤状态的定量表征与评估。 

随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为港口重要物流装备的大型岸边起重机械，具有以下几个特点： 

1、目前使用中的很多大型起重机是上世纪60年代至70年代我国自行设计制造或从东欧进口，还有少数是从美、日等国进口的二手设备，按设计寿命20～25年考虑，很多设备也己进入服役后期或超期服役阶段； 

2、由于绝大部分机械结构件服役时承受交变载荷，因此失效形式大部分为疲劳失效。据统计，由机械故障引起的事故中，80%以上与材料的疲劳损伤有关； 

3、目前的损伤检测方法在大型钢结构检测方面都存在不同程度的局限性，如超声波检测和磁粉检测等方法对起重机进行的部分抽样检测，盲目性大、易出现漏检且检测的周期长，工作量大，费用昂贵； 

4、预警评估系统目前尚不完善，目前应用的分析判别技术还不能对起重机承力件的疲劳损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国港口大型机械设备安全事故时有发生，其中，高周疲劳和低周疲劳引起的疲劳损伤是港口大型岸边起重装备承力件主要的损伤模式。 

因此，为确保大型岸边起重机械安全可靠的运行，须对承力件进行检测、判断疲劳损伤状态，从而进行安全评估。 

发明内容

为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于疲劳载荷的不同会有不同的疲劳损伤状态，对16Mn钢承力件所受的载荷状态的评估对其疲劳失效的预警是很重要的，本发明提出一种采用WPT策略和DF策略对在役16Mn钢承力件进行监测，得到声发射波形信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用WPT策略和DF策略方法对其疲劳损伤状态进行定量评估。应用本发明的监测结果能够对16Mn钢承力件疲劳损伤状态进行定量的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。